Piezoelektrische Mikro-Dosiertechik

Piezoelektrische Mikrodispenser
Piezo • Nano • Positioning
Piezotechnologie für Medizintechnik und Industrie

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Piezo • Nano • Positioning
Mikropumpen und -ventile
Kleine Volumina genau dosieren
Auswahl an verschiedenen Piezoaktoren und hebelübersetzten Piezosystemen
Miniaturisierte Technik
Verdrängerpumpen werden weltweit
in vielfältigen Industriezweigen eingesetzt.
Mit zunehmender Miniaturisierung
wächst auch der Markt für die
kleinen Verwandten: Mikrodispenser
übernehmen Verteil- und Dosieraufgaben,
wo kleine Mengen im Millioder
Mikroliterbereich zu steuern
sind.
Breite Anwendung für eine zukunftsträchtige
Technologie
In der Labor- und Medizintechnik, der
Biotechnologie oder chemischen
Analytik dosieren winzige Dispenser
gezielt Wirkstoffe oder Medikamente.
Mikropumpen sorgen für den Abtransport
von Reaktionsgasen in geschlossenen
Prozessen. Industriemaschinen
profitieren von der Möglichkeit,
mit Hilfe von Mikroventilen
Schmierstoffe wie Öle oder Fette
dezentral dort einzubringen, wo sie
benötigt werden – sparsam, präzise
und automatisiert.
Der Antrieb kommt vom Piezo
Die Realisierung beruht auf den
bekannten Prinzipien von Membranpumpen
und Membranventilen,
auch das peristaltische Prinzip wird
angewendet. Hier kommen piezoelektrische
Aktoren in verschiedensten
Formen und Integrationsstufen als
miniaturisierte Antriebe zum Einsatz.
Präzision und Kraft –
der Aktor passt sich an
Abhängig von den Eigenschaften der
Pumpmedien wie Viskosität und
Tropfengröße sind unterschiedliche
Kräfte aufzubringen, was die Größe
des verwendeten Piezoaktors bestimmt.
Als Parameter kann die Piezoauslenkung
variiert werden, um so
das Dosiervolumen zu steuern. Für
Mikropumpen entscheidet außerdem
die Frequenz über die erreichbare
Durchflussmenge.
Prinzip eines Membranventils. Ventilanwendungen
erfordern meist höhere
Kräfte als Pumpen.
Mikro-Membranpumpen funktionieren ähnlich
wie Kolbenpumpen; allerdings ist bei ihnen
das zu fördernde Medium durch eine
Membran vom Antrieb getrennt. Passive Einund
Auslassventile steuern die Pumprichtung.
Als Antriebssystem bieten sich bei Mikro-
Membranpumpen Piezoelemente in Scheibenform
an, die direkt auf einer Metallscheibe
appliziert werden:
Der Platzbedarf dieser Antriebslösung ist
äußerst gering, und die Piezoauslenkung ist
sehr fein justierbar, wodurch die Pumpvolumina
sehr präzise definiert werden können.
Die Funktionsweise der Schlauch- oder
Peristaltikpumpe führt dazu, dass man
auf richtungsbestimmende Ventile
verzichten kann;
die Pumprichtung wird hier von der
Reihenfolge der Ansteuerung der einzelnen
Aktorelemente vorgegeben.
(In der Abb. von link nach rechts)

Kompakt – schnell – hochdynamisch
Piezoelemente treiben Mikrodispenser an
Zuverlässig und schnell
Die besonderen Eigenschaften der
Piezokeramik ermöglichen flexible
Flussraten von Zehntel Mikrolitern bis
zu einigen hundert Millilitern pro
Minute bei Pumpfrequenzen bis in den
Kilohertzbereich bei gleichzeitig hoher
Dosiergenauigkeit. Die Schaltzeiten
sind mit einigen Mikrosekunden
gegenüber magnetischen Lösungen
deutlich verringert. Die Piezoantriebe
haben die nötige Kraftentwicklung
und Steifigkeitswerte, um auch gegen
Drücke bis zu mehreren 10 bar zu
arbeiten und sind damit auch für die
Verarbeitung von Medien mit höherer
Viskosität geeignet.
Piezokeramiken sind prinzipiell einfach
in der Handhabung und Integration,
sie eignen sich durch die
kleine Bauart selbst für die Integration
in sogenannte Labs-on-a-Chip.
Variable Formen,
unterschiedliche Kräfte
Einfache piezokeramische Scheiben
oder Ringe werden auf eine Metalloder
Siliziumscheibe aufgebracht
und steuern damit als kompakteste
Biegeelemente das Öffnen und
Schließen von Membranpumpen oder
-ventilen.
Alternativ können Piezobiegeelemente
eingesetzt werden, die PI Ceramic in
nahezu beliebigen Formen herstellen
kann.
Piezoelektrische Röhrchen werden
schon seit langem auch für Drop-on-
Demand- Verfahren eingesetzt, wie sie
beispielsweise im Tintenstrahldruck
vorkommen. Piezopatches oder, für
höhere Kräfte, Piezostapelaktoren
betätigen peristaltische Pumpen.
Die entsprechende Ansteuerelektronik
ist kompakt und kann auch – beispielsweise
für die Medikamentendosierung
– in portablen Geräten eingesetzt
werden.
Piezo • Nano • Positioning
PI bietet ein breites Spektrum verschiedener Piezokomponenten; Scheiben, Rohre, Bieger, Patches...
In Mikroventilen, insbesondere wenn
viskose Flüssigkeiten mit tendenziell
höheren Druckkräften verarbeitet werden,
können Translationsaktoren mit und ohne
Vorspannung eingesetzt werden, wo größere
Hübe des Ventilstößels benötigt werden,
auch mit Hebelübersetzung
Piezoaktorik: schnell, zuverlässig
und gut integrierbar
Piezoaktoren wandeln elektrische Energie
direkt in mechanische und umgekehrt.
Dabei können typischerweise
Stellwege bis zu etwa einem Millimeter
bei Auflösungen bis hinunter in den
Nanometerbereich und hoher Dynamik
mit Frequenzen bis zu mehreren Kilohertz
erreicht werden. Da die Bewegung
auf kristallinen Effekten beruht, gibt es
keine rotierenden oder reibenden Teile;
Piezoaktoren sind somit wartungs- und
verschleißfrei, und da keine Schmierung
notwendig ist, auch für Vakuum
geeignet. Sie können große Lasten
bewegen und bauen sehr kompakt.
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PI – Ein Unternehmen stellt sich vor
Inspiration vom Marktführer für piezokeramische Antriebe
Stammsitz von PI in Karlsruhe
Wettbewerbsvorteile durch besondere
Zuverlässigkeit
Nichts ist so sicher wie der Einsatz
von bewährter Technologie. Mikrodosiersysteme
profitieren vom Einsatz
piezokeramischer Antriebe, denn
diese sind klein, hochdynamisch und
flexibel. Angepasst an die Applikation,
werden zuverlässig einstellbare
Dosierraten mit hoher Genauigkeit
erreicht – bis in den Mikroliterbereich.
Wettbewerbsvorteile sichern mit
dem Marktführer
Physik Instrumente wurde im Jahre
1969 gegründet und hat sich schon
früh auf hochpräzise Positioniersysteme
mit piezokeramischen Antrieben
spezialisiert. Heute ist Physik
Instrumente (PI) Marktführer für piezokeramische
Antriebstechnologie.
Diese wird vornehmlich für hochpräzise
Positionieraufgaben verwendet,
z. B. in der Qualitätssicherung oder in
der Halbleiterindustrie. Gerade dort
sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit
enorm: Der Stillstand
einer Fabrikationsmaschine kostet
den Chiphersteller hunderttausende
Dollars und ist nicht tolerabel.
Kompetenz in Sachen Piezo
Imk Jahre 1992 wurde die Tochtergesellschaft
PI Ceramic als Entwicklungs-
und Fertigungsstätte für
Piezoantriebe gegründet. PI Ceramic
entwickelt und produziert piezokeramische
Materialien, die in allen heutigen
High-Tech-Märkten eingesetzt
werden, in Industrieautomation und
Halbleitertechnik ebenso wie in der
Medizintechnik, in Maschinenbau
und Feinwerktechnik, in Luft- und
Raumfahrt oder im Automobilbereich
und dem weiten Feld der Telekommunikation.
Zusätzlich zum breiten
Spektrum an Standardprodukten
nimmt die schnellstmögliche Umsetzung
kundenspezifischer Lösungen
einen wichtigen Stellenwert ein.
Integrationsleistungen
PI und PI Ceramic fertigen nicht nur
die Antriebe, sondern integrieren
diese auch in mechanische Bewegungssysteme.
Darüber hinaus entwickelt
PI die Ansteuerung und ggf. die
Regelung entsprechend den Anforderungen
an das Gesamtsystem.
Physik Instrumente (PI)
GmbH & Co. KG
Auf der Römerstraße 1
D-76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0
Fax +49 721 4846-100
info@pi.ws
www.pi.ws
PI Ceramic GmbH
Lindenstraße
D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0
Fax +49 36604 882-25
info@piceramic.de
www.piceramic.de
BRO15D Mikrodispenser 09/0526.0,2. Änderungen vobehalten © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG